JP2022022783A - Fuel cell joint mold - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルの接合金型に関する。 The present invention relates to a joining mold for a fuel cell.
燃料電池の燃料電池セルは、電極アッセンブリと一対のセパレータのそれぞれとを接合することによって構成されている。このような接合を行うために、従来から、加熱プレス用の金型を採用して、燃料電池セルを接合する技術が開示されている。 The fuel cell of a fuel cell is configured by joining an electrode assembly and each of a pair of separators. In order to perform such joining, a technique for joining a fuel cell by using a die for a heating press has been disclosed.
例えば、特許文献1には、セパレータに対して加熱プレスを行うとともに、セパレータにガスケットを形成する入子金型を有する、ガスケット-セパレータ部材接合体を接合するための接合金型が開示されている。この入子金型は、ガスケットを形成した後、セパレータのガス流路及びガス流路の周囲に形成された部分を一緒に押圧かつ加熱する。すなわち、特許文献1に開示された入子金型は、セパレータの主面の全体を加熱プレスするものである。
For example,
ところで、燃料電池セルの接合、すなわち一対のセパレータと電極アッセンブリとの接合は、加熱によって溶けた電極アッセンブリの樹脂枠の熱可塑性樹脂層部分と、各セパレータとの溶着によって実現されている。また、一般的に、セパレータは、厚み方向、すなわち積層するときの積層方向にて、積層方向の寸法が最も大きく形成されたガス流路と、ガス流路の周囲に形成され、ガス流路よりも積層方向の寸法が小さい周囲部分とを有する。このようなセパレータに対して、特許文献1に開示された入子金型のような金型を用いて接合を行うと、ガス流路及び周囲部分とも、金型によって押圧かつ加熱される。こうして、ガス流路に対応する樹脂枠の熱可塑性樹脂層の部分のみならず、周囲部分に対応する樹脂枠の熱可塑性樹脂層の部分も、金型からの熱によって溶けてしまう。よって、ガス流路及び周囲部分が樹脂枠のコア層に押し付けられ、コア層と接触するようになる。このため、接合された後(セル化後)の燃料電池セルでは、セパレータに積層方向の寸法のばらつきが生じてしまう。このようなばらつきが生じた場合、セパレータの面内圧力の偏り問題が発生することがある。その結果、面内圧力の偏りによってセパレータが破損してしまい、燃料電池セルの性能に大きな影響を与えることがある。
By the way, the joining of the fuel cell, that is, the joining of the pair of separators and the electrode assembly is realized by welding the thermoplastic resin layer portion of the resin frame of the electrode assembly melted by heating and each separator. Further, in general, the separator is formed around the gas flow path having the largest dimension in the stacking direction in the thickness direction, that is, the stacking direction at the time of stacking, and is formed around the gas flow path. Also has a peripheral portion with small dimensions in the stacking direction. When such a separator is joined using a mold such as the nesting mold disclosed in
本発明はこのような事情に鑑みて発明されたものであり、本発明の目的は、セル化後のセパレータに生じる積層方向の寸法ばらつきによる、セパレータの面内圧力の偏り問題を軽減することで、セパレータの破損を回避し、良好な性能を有する燃料電池セルを得ることができる燃料電池セルの接合金型を提供することである。 The present invention has been invented in view of such circumstances, and an object of the present invention is to reduce the problem of deviation of the in-plane pressure of the separator due to dimensional variation in the stacking direction that occurs in the separator after cell formation. It is an object of the present invention to provide a bonding mold for a fuel cell, which can avoid damage to the separator and obtain a fuel cell having good performance.
本発明の一態様に係る燃料電池セルの接合金型は、電極アッセンブリと、電極アッセンブリの樹脂枠の両主面に積層された、それぞれがガス流路、前記ガス流路の周囲に設けられた周囲部、及び前記周囲部よりも周縁側に設けられた接合部を有する、第1セパレータ及び第2セパレータとによって構成された積層体を、積層方向にて加熱プレスを行うことで接合し燃料電池セルを構成するための燃料電池セルの接合金型であって、第1セパレータと当接する状態で、積層体が載置される第1金型と、第1金型と対向する側に配置されており、第1金型に対して積層方向に相対移動することで、積層体の第2セパレータを押圧する第2金型と、を備え、第2金型は、接合部を押圧かつ加熱する外子と、ガス流路を押圧かつ加熱する入子と、を有し、入子のガス流路と当接する面の平面視形状は、ガス流路の平面視形状と同じ形状である。 The fuel cell cell bonding die according to one aspect of the present invention is laminated on both main surfaces of the electrode assembly and the resin frame of the electrode assembly, and each is provided around the gas flow path and the gas flow path. A fuel cell in which a laminate composed of a first separator and a second separator having a peripheral portion and a joint portion provided on the peripheral edge side of the peripheral portion is bonded by heat pressing in the stacking direction. A bonding mold for a fuel cell to form a cell, which is arranged on a side facing the first mold and a first mold on which the laminate is placed in a state of being in contact with the first separator. The second mold comprises a second mold that presses the second separator of the laminated body by moving relative to the first mold in the stacking direction, and the second mold presses and heats the joint portion. It has an outer element and an alloy that presses and heats the gas flow path, and the plan view shape of the surface that abuts on the gas flow path of the nest is the same as the plan view shape of the gas flow path.
上記態様の燃料電池セルの接合金型は、加熱プレス時、第2金型の入子は、ガス流路を押圧するが、ガス流路の周囲にある周囲部を押圧しない。よって、加熱プレス時(セル化時)、第2金型の入子は、ガス流路にのみ入熱することになり、周囲部に入熱することがない。こうして、樹脂枠の第2セパレータのガス流路と当接する部分は、第2金型の入子から熱によって溶け、一部がガス流路の流路に流れ込む。その結果、加熱プレス前に比べて、ガス流路の積層方向の寸法は、小さくなっている。一方、周囲部は、第2金型の入子から入熱されない。このため、樹脂枠の第2セパレータの周囲部に対応する部分は、溶けることがない。よって、加熱プレス後(セル化後)、周囲部の積層方向の寸法は、変わらない。このように、セル化後の第2セパレータにおいて、ガス流路の積層方向の寸法と、周囲部の積層方向の寸法とは、ほぼ同じである。このため、セル化後の第2セパレータの積層方向の寸法のばらつきは、ほぼ生じていない。従って、第2セパレータの積層方向の寸法のばらつきによる、第2セパレータの面内圧力の偏り問題も発生しない。その結果、第2セパレータの面内圧力の偏りを起因する、第2セパレータの破損を回避することができる。また、第1セパレータも同様である。このように、セル化後の第1セパレータ及びセル化後の第2セパレータのそれぞれに係るセパレータの破損問題の発生を回避することができる。このようなセル化後の第1セパレータ及びセル化後の第2セパレータによって、良好な性能を有する燃料電池セルを構成することができる。 In the fuel cell joining die of the above aspect, when the heating press is performed, the insert of the second die presses the gas flow path, but does not press the peripheral portion around the gas flow path. Therefore, during the heating press (during cell formation), the insert of the second die enters heat only into the gas flow path and does not enter heat into the peripheral portion. In this way, the portion of the resin frame that comes into contact with the gas flow path of the second separator is melted by heat from the insert of the second mold, and a part of the resin frame flows into the gas flow path. As a result, the dimension of the gas flow path in the stacking direction is smaller than that before the heating press. On the other hand, the peripheral portion is not heated by the insert of the second mold. Therefore, the portion of the resin frame corresponding to the peripheral portion of the second separator does not melt. Therefore, after the heating press (after cell formation), the dimensions of the peripheral portion in the stacking direction do not change. As described above, in the second separator after cell formation, the dimension of the gas flow path in the stacking direction and the dimension of the peripheral portion in the stacking direction are substantially the same. Therefore, there is almost no variation in the dimensions of the second separator after cell formation in the stacking direction. Therefore, there is no problem of deviation of the in-plane pressure of the second separator due to the variation in the dimensions of the second separator in the stacking direction. As a result, it is possible to avoid damage to the second separator due to the deviation of the in-plane pressure of the second separator. The same applies to the first separator. In this way, it is possible to avoid the problem of breakage of the separator related to each of the first separator after cell formation and the second separator after cell formation. A fuel cell having good performance can be configured by such a first separator after cell formation and a second separator after cell formation.
本発明によれば、セル化後のセパレータに生じる積層方向の寸法ばらつきによる、セパレータの面内圧力の偏り問題を軽減することで、セパレータの破損を回避し、良好な性能を有する燃料電池セルを得ることができる燃料電池セルの接合金型を提供することが可能になる。 According to the present invention, by reducing the problem of uneven pressure in the plane of the separator due to dimensional variation in the stacking direction that occurs in the separator after cell formation, damage to the separator can be avoided and a fuel cell having good performance can be obtained. It becomes possible to provide a joint mold for a fuel cell that can be obtained.
以下に本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面の記載において同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施の形態に限定して解するべきではない。 An embodiment of the present invention will be described below. In the description of the following drawings, the same or similar components are represented by the same or similar reference numerals. The drawings are examples, and the dimensions and shapes of each part are schematic, and the technical scope of the present invention should not be limited to the embodiment.
[本実施形態]
<接合金型1による接合の概要>
まず、図1及び図2を参照しつつ、本実施形態に係る接合金型1による接合の概要について説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池セルの接合金型1及び接合される前の燃料電池セルの各構成の概要を示す斜視図である。図2は、図1のA-A線の断面図である。
[The present embodiment]
<Outline of joining with joining
First, the outline of joining by the joining
本実施形態に係る接合金型1は、燃料電池セルを接合するための加熱プレス用金型の一例である。具体的には、接合金型1は、接合される前の燃料電池セル、すなわち積層体3に対して、その積層体3の積層方向の両側から加熱プレスを行うことで、積層体3の各構成を互いに接合させるための金型である。
The joining die 1 according to the present embodiment is an example of a heating press die for joining a fuel cell. Specifically, the joining
図1に示すように、接合金型1は、対向するように配置されている、第1金型10及び第2金型20を備える。また、接合金型1の接合対象である積層体3は、図2に示すように、電極アッセンブリ30と、電極アッセンブリ30の両主面に積層された第1セパレータ40及び第2セパレータ50とを有する。
As shown in FIG. 1, the joining die 1 includes a
こうして、加熱プレスを行うとき、接合金型1は、第1金型10が第1セパレータ40に与える積層方向の第2方向への加熱プレスと、第2金型20が第2セパレータ50に与える積層方向の第1方向への加熱プレスとを用いて、電極アッセンブリ30と第1セパレータ40及び第2セパレータ50のそれぞれとを接合し、燃料電池セルを構成する。
In this way, when the heating press is performed, the
以下では、接合対象の積層体3の特徴を説明した上で、接合金型1の詳細について説明する。第1セパレータ40、電極アッセンブリ30及び第2セパレータ50が積層されて積層体3を構成した状態を「積層状態」と呼ぶことがあり、積層体3が接合されて燃料電池セルを構成した状態を「セル化状態」と呼ぶことがある。また、複数の燃料電池セルが積層された上で、エンドプレートによってスタックされて燃料電池を構成した状態を「スタック状態」と呼ぶことがある。また、加熱プレス
Hereinafter, the characteristics of the laminated
<積層体3の詳細>
次に、図1乃至図4を参照しつつ、本実施形態に係る積層体3の詳細、すなわち、電極アッセンブリ30、第1セパレータ40及び第2セパレータ50のそれぞれの構成について説明する。図3は、本実施形態に係る積層体3の平面図である。図4は、図3のB-B線の断面図である。なお、図4は、電極アッセンブリ30の樹脂枠32以外の構成の表示を省略している。
<Details of
Next, with reference to FIGS. 1 to 4, the details of the
(電極アッセンブリ30)
電極アッセンブリ30は、シート状部材であり、平面視形状が矩形状をなしている。また、電極アッセンブリ30は、膜電極接合体(MEA)31と、熱硬化性樹脂の接着材によって、MEA31の一方側の面312に接着されている樹脂枠32とを有する。
(Electrode assembly 30)
The
MEA31は、燃料電池セルの発電部分を構成する。また、MEA31は、電解質膜311と、電解質膜311の一方側の主面に接合された第1電極314と、電解質膜311の他方側の主面に接合された第2電極315とを有する。
The
電解質膜311は、例えば、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。第1電極314は、アノード電極(又はカソード電極)であり、第2電極315は、カソード電極(又はアノード電極)である。また、第1電極314及び第2電極315のいずれも、電解質膜311と接触するように設けられた金属の触媒層と、触媒層上に設けられた、多孔体部材によって構成された拡散層とを有する。
The
樹脂枠32は、シート状部材であり、平面視形状が枠形状をなしている。MEA31の面312に接着されるとき、樹脂枠32は、MEA31の外周側に位置する。積層状態において、樹脂枠32は、第2電極315を囲むように設けられている。また、樹脂枠32は、中央開口の両側に設けられた、燃料電池セルのガス流路及び冷媒流路を構成する複数の流路孔を有する。なお、これらの流路孔の各々は、後述する第2セパレータ50の複数の流通孔の各々に対応し、かつ同じ形状及び機能を有する。このため、樹脂枠32の流路孔の詳細の説明を省略する。
The
また、図4に示すように、樹脂枠32は、コア層321と、コア層321の両主面に設けられた、2つの熱可塑性樹脂層322とを有する。加熱されると、熱可塑性樹脂層322は、受けた熱によって溶ける部分であり、一方、コア層321は、受けた熱によって溶けない部分である。こうして、樹脂枠32は、熱可塑性樹脂層322を介して、電極アッセンブリ30と、第1セパレータ40及び第2セパレータ50のそれぞれとの熱接合を実現している。また、樹脂枠32は、コア層321を介して、第1セパレータ40及び第2セパレータ50が電極アッセンブリ30に対する積層方向の位置を規制している。
Further, as shown in FIG. 4, the
(第1セパレータ40及び第2セパレータ50)
次に、図1乃至図4を参照しつつ、第1セパレータ40及び第2セパレータ50の詳細について説明する。
(
Next, the details of the
第1セパレータ40及び第2セパレータ50は、MEA31で発電された電力を集電する機能と、スタック状態において、スタックされた複数の燃料電池セルのそれぞれのMEA31を区画する機能とを有する、一対のセパレータである。また、第1セパレータ40及び第2セパレータ50は、各燃料電池セルの内部にある、MEA31に反応ガスを流すためのガス流路と、燃料電池セルの外部、すなわち相隣する燃料電池セルの間にある、冷媒を流すための冷媒流路とを構成する。
The
また、本実施形態では、第1セパレータ40は、図1に示すように、第2セパレータ50と同じ構成を有する。このため、以下の説明では、第2セパレータ50の構成を中心に説明し、第1セパレータ40の構成の説明を省略する。
Further, in the present embodiment, the
第2セパレータ50は、薄板状部材であり、平面視形状が電極アッセンブリ30の平面視形状と同じ寸法を有する矩形状をなしている。第2セパレータ50の材料は、例えば、チタン、チタン合金又はステンレス鋼等の金属である。
The
また、図3に示すように、第2セパレータ50は、第2セパレータ50の主面方向の中間部分に設けられたガス流路51と、ガス流路51の周囲に設けられた周囲部52と、周囲部52よりも第2セパレータ50の周縁側に設けられた接合部53とを有する。また、第2セパレータ50は、接合部53に設けられた複数の流路孔と、接合部53に設けられたガスケット54とを有する。なお、第1セパレータ40も、第2セパレータ50の各構成に対応する、ガス流路41、周囲部42、接合部43及び流路孔を有する。
Further, as shown in FIG. 3, the
ガス流路51は、燃料ガス(又は酸化剤ガス)をMEA31に供給するための、第2電極315の拡散層側のガス流路である。また、ガス流路51に対応する第1セパレータ40のガス流路41は、酸化剤ガス(又は燃料ガス)をMEA31に供給するための、第1電極314の拡散層側のガス流路である。図4に示すように、ガス流路51は、櫛状をないしている。また、図3に示すように、ガス流路51は、第1ガス流路511と、第1ガス流路511の両側に形成された2つの第2ガス流路512とを有する。2つの第2ガス流路512は、第1ガス流路511を第2セパレータ50の流路孔の内、一対の酸化剤ガス流路(又は一対の燃料ガス流路)の流入通路及び流入出通路を構成する孔部のそれぞれに連結する。
The
積層状態において、図3及び図4に示すように、ガス流路51のうち、第1ガス流路511は、電極アッセンブリ30の第2電極315の拡散層の上に位置し、第2ガス流路512は、電極アッセンブリ30の樹脂枠32の熱可塑性樹脂層322の上に位置する。ガス流路51は、電極アッセンブリ30の樹脂枠32から離れる方向、すなわち積層方向の第2方向に突起している部分である。また、ガス流路51は、周囲部52及び接合部53よりも電極アッセンブリ30から積層方向の第2方向に突起している。以下では、ガス流路51の突起方向の先端側の面を「先端面510」と呼び、ガス流路51の突起方向の根元側の面、すなわち第2セパレータ50と樹脂枠32と当接する面を「当接面561」と呼ぶことがある。
In the laminated state, as shown in FIGS. 3 and 4, the first
積層状態(セル化前)において、ガス流路51の当接面561は、樹脂枠32の熱可塑性樹脂層322と当接している。積層方向にて、ガス流路51の先端面510から当接面501までの距離は、H1である。ガス流路51の先端面510から樹脂枠32のコア層321までの距離は、H3である。以下では、積層方向にて、ガス流路51の先端面510から樹脂枠32のコア層321までの距離をガス流路51の「積層方向の寸法」と呼ぶことがある。このため、ガス流路51の積層方向の寸法は、H3である。また、寸法H1は、ガス流路51の流路の高さである。なお、後述する周囲部52も同様とする。
In the laminated state (before cell formation), the
周囲部52は、図4に示すように、櫛状をないしている。図3に示すように、周囲部52は、ガス流路51を囲むように形成されている。積層状態において、周囲部52は、接合部53よりも電極アッセンブリ30から積層方向の第2方向に突起している。以下では、周囲部52の突起方向の先端側の面を「先端面520」と呼び、周囲部52の突起方向の根元側の面、すなわち第2セパレータ50と樹脂枠32と当接する面を「当接面562」と呼ぶことがある。
As shown in FIG. 4, the
積層状態(セル化前)において、周囲部52の当接面562は、樹脂枠32の熱可塑性樹脂層322と当接している。積層方向にて、周囲部52の先端面520から当接面562までの距離は、H2である。周囲部52の先端面520から樹脂枠32のコア層321までの距離、すなわち周囲部52の積層方向の寸法は、H4である。
In the laminated state (before cell formation), the
ここで、周囲部52の先端面520から当接面562までの距離H2は、ガス流路51の先端面510から当接面501までの距離H1よりも小さい。周囲部52の積層方向の寸法H4は、ガス流路51の積層方向の寸法H3よりも小さい。また、寸法H1は、寸法H4とほぼ同じである。
Here, the distance H2 from the
接合部53は、積層状態において、電極アッセンブリ30の樹脂枠32と当接する部分である。加熱プレス時、接合部53は、第2金型20による加熱プレスを受ける部分である。この場合、加熱プレスを行うために、第2金型が接合部53に与える圧力は、第2金型がガス流路51に与える圧力よりも大きい。こうして、加熱プレスが行われた後、接合部53は、熱による溶けた樹脂枠32の熱可塑性樹脂層322を介して、樹脂枠32と溶着する。こうして、第2セパレータ50は、電極アッセンブリ30の一方側の主面に接合される。また、この場合、ガス流路51は、樹脂枠32のコア層321と当接している。
The
第2セパレータ50の複数の流路孔は、燃料ガス流路(又は酸化剤ガス流路)を構成する孔部531及び孔部532と、酸化剤ガス流路(又は燃料ガス流路)を構成する孔部541及び孔部542と、冷媒流路を構成する孔部551及び孔部552とを有する。また、孔部531、孔部541及び孔部551は、流入通路を構成する孔部であり、孔部532、孔部542及び孔部552は、流出通路を構成する孔部である。
The plurality of flow path holes of the
図3に示すように、孔部541及び孔部542のそれぞれは、第2ガス流路512によって、第1ガス流路511に連結されている。こうして、スタック状態において、第2セパレータ50側のガス流路では、流入通路の孔部541から流入したガスは、一方の第2ガス流路512、第1ガス流路511及び他方の第2ガス流路512を通して、流出通路の孔部542に流入することができる。なお、第2セパレータ50側のガス流路は、第2セパレータ50と、電極アッセンブリ30との間に設けられたシール部材等(図示せず)により区画されている。また、第1セパレータ40側のガス流路も同様である。
As shown in FIG. 3, each of the
ガスケット54は、シール部材の一例である。図3に示すように、ガスケット54は、ガス流路51と、冷媒流路を構成する孔部551及び552とを囲むような、接合部53に設けられている。スタック状態において、ガスケット54は、相隣する燃料電池セルの押圧によって変形し、相隣する燃料電池セルの間の空間を封止する。こうして、冷媒は、ガスケット54によって封止された、相隣する燃料電池セルの間の冷媒流路に流動することができる。
The
次に、図1乃至図6を参照しつつ、本実施形態に係る接合金型1における一対の金型、すなわち第1金型10及び第2金型20の詳細について説明する。図5は、本実施形態に係る第2金型20の入子21の構成を示す図である。図6は、本実施形態に係る接合金型1による積層体3への加熱プレス状態を示す全体図である。
Next, with reference to FIGS. 1 to 6, the details of the pair of dies in the joining
第1金型10は、積層体3が載置される金型である。図1に示すように、第1金型10は、第1金型10の主面の中央部分に形成された内子11と、内子11の周囲に形成された外子13とを有する。図2に示すように、積層方向にて、外子13の高さは、内子11の高さよりも大きい。
The
内子11は、ブロック状をなしている。接合金型1において、内子11は、後述する第2金型20の入子21に対応する位置に設けられている。また、内子11は、第2金型20の入子21と同じ形状を有する。このため、内子11の詳細を、第2金型20の入子21の構成とともに説明する。図1に示すように、内子11の上面の平面視形状は、第1セパレータ40のガス流路41の平面視形状と同じ形状である。
The
外子13は、枠状をなしている。接合金型1において、外子13は、後述する第2金型20の外子23に対応する位置に設けられている。また、外子13は、第2金型20の外子23と同じ形状を有する。
The
積層体3を載置する場合、図6に示すように、内子11は、第1セパレータ40のガス流路41と当接し、外子13は、第1セパレータ40の接合部43と当接することができる。こうして、積層体3は、第1金型10の内子11及び外子13によって支持される。
When the
また、外子13及び内子11は、加熱プレス時の押圧部とする機能を有する。加熱プレス時(セル化時)、外子13及び内子11のそれぞれは、外子23及び入子21からの力の反力によって、積層体3を積層方向の第2方向に向かって押圧する。
Further, the
また、内子11及び外子13よりも第1方向側に、内子11及び外子13を加熱するための加熱部(図示せず)が第1金型10に内蔵されている。こうして、加熱プレス時(セル化時)、内子11及び外子13は、積層体3のガス流路41及び接合部43を積層方向の第2方向に向かって押圧するとともに、ガス流路41及び接合部43と、ガス流路41及び接合部43と当接している樹脂枠32の熱可塑性樹脂層322の一部に、加熱部からの熱を伝達することができる。
Further, a heating unit (not shown) for heating the
(第2金型20)
第2金型20は、第1金型10と対向する側に配置されており、第1金型10に対して積層方向に相対移動することで、第1金型10とともに積層体3を加熱プレスするための金型である。加熱プレスが開始する前、第2金型20は、第1金型10と離れている。
(2nd mold 20)
The
また、図6に示すように、第2金型20は、第2金型20の主面の中央部分に設けられた入子21と、入子21の周囲に形成された外子23とを有する。入子21は、バネ部材22によって、第2金型20の主面に取り付けている。言い換えれば、入子21は、バネ部材22によって第2金型20の主面に吊られている。こうして、図2に示すように、加熱プレスが開始する前、積層方向にて、入子21は、外子23よりも積層方向の第1方向側に位置する。
Further, as shown in FIG. 6, in the
また、図5に示すように、入子21は、板状部材である。接合金型1において、入子21は、第1金型10の内子11に対応する位置に設けられている。また、入子21は、セル化時、第2セパレータ50のガス流路51を押圧する押圧部210と、押圧部210の周囲の一部、すなわち第2セパレータ50の周囲部52に対応する位置に形成された2つのニゲ部213とを有する。言い換えれば、押圧部210は、入子21のうちの突起している部分である。2つのニゲ部213は、入子21のうちの欠切部に該当する。
Further, as shown in FIG. 5, the
また、図5に示すように、入子21の押圧部210の、ガス流路51と当接する面の平面視形状は、ガス流路51の平面視形状と同じ形状である。具体的には、押圧部210は、セル化時、第1ガス流路511を押圧する第1押圧部211と、第1押圧部211の両側に形成された、2つの第2ガス流路512のそれぞれを押圧する2つの第2押圧部212とを有する。第1押圧部211及び2つの第2押圧部212は、一体に形成されている。こうして、セル化時、押圧部210は、ガス流路51を積層方向の第1方向に向かって押圧することができる。
Further, as shown in FIG. 5, the plan view shape of the surface of the
2つのニゲ部213は、第2セパレータ50の周囲部52に対応する部分である。一方、セル化時、2つのニゲ部213は、周囲部52と当接せず、周囲部52の先端面520から離れている。言い換えれば、セル化時、2つのニゲ部213によって、周囲部52は、入子21による押圧されることがない。
The two
外子23は、第1セパレータ40の外子13と同様の形状を有し、平面視形状が枠状をなしている。接合金型1において、外子23は、第1金型10の外子13に対応する位置に設けられている。加熱プレス時(セル化時)に、外子23は、積層体3の第2セパレータ50の接合部53と当接する部分である。こうして、加熱プレス時において、外子23は、接合部53を積層方向の第1方向に向かって押圧することができる。
The
また、上述したように、入子21は、バネ部材22によって第2金型20の主面に吊られている。このため、セル化時、第2金型20の入子21が第2セパレータ50のガス流路51と当接して移動が停止した後に、外子23は、積層方向の第1方向に向かって移動し第2セパレータ50の接合部53と当接する。このため、入子21がガス流路51に与える押圧力は、外子23が接合部53に与える押圧力よりも小さい。その結果、ガス流路51の第1ガス流路511よりも積層方向の第1方向に位置する第2電極315の拡散層は、第2金型20からの過剰な押圧力を受けることで座屈することを回避することができる。
Further, as described above, the
また、入子21及び外子23よりも第2方向側に、入子21及び外子23を加熱するための加熱部(図示せず)が第2金型20に内蔵されている。こうして、加熱プレス時、入子21及び外子23は、積層体3のガス流路51及び接合部53を積層方向の第2方向に向かって押圧するとともに、接合部43及び接合部43と当接している樹脂枠32の熱可塑性樹脂層322に、加熱部からの熱を伝達することができる。また、この場合、入子21の2つのニゲ部213は、周囲部52と接触しない。このため、周囲部52は、入子21の2つのニゲ部213から入熱されることもない。
Further, a heating portion (not shown) for heating the
<接合金型1による接合過程>
続いて、図6及び図7を参照しつつ、接合金型1による接合過程について説明する。
<Joining process by joining
Subsequently, the joining process by the joining
まず、積層体3を第1金型10に載置する。
First, the
ここで、第1セパレータ40、電極アッセンブリ30及び第2セパレータ50を積層し積層体3を構成した上で、その積層体3を第1金型10に載置してもよい。また、第1セパレータ40、電極アッセンブリ30及び第2セパレータ50を、一枚ずつ第1金型10に載置しながら積層してもよい。また、載置するとき、第1セパレータ40のガス流路41を内子11の上面に載置し、第1セパレータ40の接合部43を外子13の上面に載置する。
Here, the
続いて、第2金型は、積層方向にて、第1方向に向かって移行し、第1金型10とともに、積層体3を加熱プレスする。
Subsequently, the second die moves toward the first direction in the laminating direction, and the
具体的には、第2金型20の入子21及び外子23は、積層体3の第2セパレータ50のガス流路51及び接合部53を第1方向に向かって押圧するとともに、ガス流路51及び接合部53を介して樹脂枠32の第2方向側にある熱可塑性樹脂層322に入熱する。それとともに、第1金型10の内子11及び外子13は、第2金型20の入子21及び外子23のそれぞれによる押圧力に対する反力を用いて、積層体3の第1セパレータ40のガス流路41及び接合部43を第2方向に向かって押圧するとともに、ガス流路41及び接合部43を介して樹脂枠32の第1方向側にある熱可塑性樹脂層322に入熱する。
Specifically, the
こうして、第2セパレータ50側では、樹脂枠32の第2方向側にある熱可塑性樹脂層322の、第2セパレータ50のガス流路51及び接合部53と当接する部分は、加熱によって溶け、ガス流路51及び接合部53は、樹脂枠32と溶着される。その結果、第2セパレータ50は、ガス流路51及び接合部53のそれぞれと電極アッセンブリ30の樹脂枠32との溶着を介して、電極アッセンブリ30に接合される。
In this way, on the
また、第1セパレータ40側では、樹脂枠32の第1方向側にある熱可塑性樹脂層322の、第1セパレータ40のガス流路41及び接合部43と当接する部分は、加熱によって溶け、ガス流路41及び接合部43は、樹脂枠32と溶着される。その結果、第1セパレータ40は、ガス流路41及び接合部43のそれぞれと電極アッセンブリ30の樹脂枠32との溶着を介して、電極アッセンブリ30に接合される。
Further, on the
第1セパレータ40及び第2セパレータ50が完全に電極アッセンブリ30の両周面側に接合された後、接合金型1による接合は終了する。
After the
<接合金型1による接合効果>
続いて、図7及び図8を参考しつつ、比較例に係る接合金型による接合効果と比較しながら、本実施形態に係る接合金型1による接合効果について説明する。図7は、本実施形態に係る接合金型1による積層体3への加熱プレス状態を示す部分拡大図である。図8は、比較例に係る接合金型による積層体3への加熱プレス状態を示す部分拡大図である。
<Joining effect by joining
Subsequently, with reference to FIGS. 7 and 8, the joining effect by the joining
ここで、まず、比較例に係る接合金型の構成について簡単に説明する。比較例に係る接合金型は、本実施形態に係る接合金型1との相違は、比較例に係る接合金型の第2金型の入子200は、本実施形態に係る第2金型20の入子21のニゲ部213を有していないことである。すなわち、比較例に係る入子200は、欠切部が形成されていない板状部材である、比較例に係る入子200の平面視形状は、矩形状である。
Here, first, the configuration of the joining mold according to the comparative example will be briefly described. The difference between the joining mold according to the comparative example and the joining
(本実施形態)
本実施形態に係る接合金型1では、セル化時、第2金型20の入子21は、ガス流路51を押圧するが、ガス流路51の周囲にある周囲部52を押圧しない。また、図7に示すように、セル化時、第2金型20の入子21は、ニゲ部213を介して、周囲部52と一定の距離を用いて離れている。よって、セル化時、第2金型20の入子21は、ガス流路51にのみ入熱することになり、周囲部52に入熱することがない。
(The present embodiment)
In the joining
こうして、図7に示すように、樹脂枠32の第2方向側にある熱可塑性樹脂層322の、第2セパレータ50のガス流路51と当接する部分は、第2金型20の入子21の押圧部210から熱によって溶け、一部がガス流路51の流路に流れ込んでいる。また、このとき、第2金型20の入子21の押圧部210によって、ガス流路51が積層方向にて第1方向に押し付けられている。ガス流路51の当接面561が樹脂枠32のコア層321と接触するようになっている。その結果、セル化前に比べて、ガス流路51の積層方向の寸法は、小さくなっている。具体的には、ガス流路51の積層方向の寸法は、セル化前のH3からH1に減少する。
In this way, as shown in FIG. 7, the portion of the
一方、周囲部52は、第2金型20の入子21から入熱されることがない。このため、樹脂枠32の第2方向側にある熱可塑性樹脂層322の、第2セパレータ50の周囲部52に対応する部分は、溶けることがない。よって、セル化後、周囲部52の当接面562は、セル化前と同様に、樹脂枠32の熱可塑性樹脂層322と当接している。このため、セル化前に比べて、周囲部52の積層方向の寸法は、変わらない。すなわち、セル化後、周囲部52の積層方向の寸法は、H4のままである。
On the other hand, the
このように、セル化後の第2セパレータ50において、ガス流路51の積層方向の寸法は、H1であり、周囲部52の積層方向の寸法は、H4である。また、上述したように、寸法H1は、寸法H4とほぼ同じである。このため、セル化後の第2セパレータ50の積層方向の寸法のばらつきは、ほぼ生じていない。従って、第2セパレータ50の積層方向の寸法のばらつきによる、第2セパレータ50の面内圧力の偏り問題も発生していない。その結果、第2セパレータ50の面内圧力の偏りを起因する、第2セパレータ50の破損を回避することができる。
As described above, in the
また、セル化後の第1セパレータ40の状態は、上述したセル化後の第2セパレータ50の状態と同様である。このため、セル化後の第1セパレータ40に係る詳細な説明を省略する。セル化後の第2セパレータ50と同様に、セル化後の第1セパレータ40の積層方向の寸法のばらつきは、ほぼ生じていない。従って、第1セパレータ40の積層方向の寸法のばらつきによる、第1セパレータ40の面内圧力の偏り問題も発生していない。その結果、第1セパレータ40の面内圧力の偏りを起因する、第2セパレータ50の破損を回避することができる。
Further, the state of the
このように、セル化後の第1セパレータ40及びセル化後の第2セパレータ50のそれぞれに係るセパレータの破損問題の発生を回避することができる。このようなセル化後の第1セパレータ40及びセル化後の第2セパレータ50によって、良好な性能を有する燃料電池セルを構成することができる。
In this way, it is possible to avoid the problem of damage to the separators of the
(比較例)
これに対して、図8に示すように、セル化時、比較例に係る第2金型の入子200は、第2セパレータ50の周囲部52と当接していないものの、周囲部52に対して極めて近いところに位置する。よって、比較例に係る入子200は、周囲部52に入熱する。
(Comparative example)
On the other hand, as shown in FIG. 8, at the time of cell formation, the
こうして、図8に示すように、樹脂枠32の第2方向側にある熱可塑性樹脂層322の、第2セパレータ50のガス流路51及び周囲部52と当接する部分は、比較例に係る入子200から熱によって溶け、一部がガス流路51の流路及び周囲部52の櫛状の溝に流れ込んでいる。また、このとき、比較例に係る第2金型の入子200の押圧部210によって、ガス流路51及び周囲部52が積層方向にて第1方向に押し付けられている。ガス流路51の当接面561及び周囲部52の当接面562が樹脂枠32のコア層321と接触するようになっている。その結果、セル化前に比べて、ガス流路51の積層方向の寸法及び周囲部52の積層方向の寸法とも、小さくなっている。具体的には、ガス流路51の積層方向の寸法は、セル化前のH3からH1に減少する。周囲部52の積層方向の寸法は、セル化前のH4からH2に減少する。
In this way, as shown in FIG. 8, the portion of the
このように、比較例に係るセル化後の第2セパレータ50において、ガス流路51の積層方向の寸法は、H1であり、周囲部52の積層方向の寸法は、H2である。また、上述したように、寸法H2は、寸法H1よりも小さい。このため、比較例に係るセル化後の第2セパレータ50の積層方向の寸法のばらつきが生じてしまう。よって、第2セパレータ50の面内圧力の偏り問題が発生する。その結果、第2セパレータ50の面内圧力の偏りによって、第2セパレータ50は、破損する可能性がある。
As described above, in the
また、比較例に係るセル化後の第1セパレータ40は、上述した比較例に係るセル化後の第2セパレータ50の状態と同様に、破損する可能性がある。
Further, the
このように、比較例に係るセル化後の第1セパレータ40及びセル化後の第2セパレータ50のそれぞれに係るセパレータの破損問題が生じる可能性がある。破損が生じたセル化後の第1セパレータ40及びセル化後の第2セパレータ50は、燃料電池セル性能に大きな影響を与える。
As described above, there is a possibility that the separator damage problem related to each of the cellized
このように、本実施形態に係る接合金型1は、ガス流路のみを押圧かつ加熱する入子21を採用して、セル化後のセパレータに生じた積層方向の寸法ばらつきによる、セパレータの面内圧力の偏り問題を軽減することで、セパレータの破損を回避し、良好な性能を有する燃料電池セルを得ることができる。
As described above, the joining
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not for limiting the interpretation of the present invention. Each element included in the embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those exemplified, and can be appropriately changed. Further, it is possible to partially replace or combine the configurations shown in different embodiments.
1…接合金型、3…積層体、10…第1金型、13,23…外子、20…第2金型、21…入子、30…電極アッセンブリ、40…第1セパレータ、41,51…ガス流路、42,52…周囲部、43,53…接合部、50…第2セパレータ 1 ... Joining die, 3 ... Laminated body, 10 ... First mold, 13, 23 ... Outer element, 20 ... Second mold, 21 ... Insertion, 30 ... Electrode assembly, 40 ... First separator, 41, 51 ... gas flow path, 42, 52 ... peripheral portion, 43, 53 ... joint portion, 50 ... second separator
Claims (1)
前記第1セパレータと当接する状態で、前記積層体が載置される第1金型と、
前記第1金型と対向する側に配置されており、前記第1金型に対して前記積層方向に相対移動することで、前記積層体の前記第2セパレータを押圧する第2金型と、
を備え、
前記第2金型は、前記接合部を押圧かつ加熱する外子と、前記ガス流路を押圧かつ加熱する入子と、を有し、
前記入子の前記ガス流路と当接する面の平面視形状は、前記ガス流路の平面視形状と同じ形状である、
燃料電池セルの接合金型。 The electrode assembly and the resin frame of the electrode assembly are laminated so as to be in contact with each other, each of which is a gas flow path, a peripheral portion provided around the gas flow path, and a peripheral side of the peripheral portion. The laminated body composed of the first separator and the second separator having the joint portion provided in the above is joined by heat pressing in the stacking direction to form a fuel cell. It is an alloy type
With the first mold on which the laminated body is placed in a state of being in contact with the first separator,
A second mold, which is arranged on the side facing the first mold and presses the second separator of the laminated body by moving relative to the first mold in the stacking direction.
Equipped with
The second mold has an outer element that presses and heats the joint portion, and an element that presses and heats the gas flow path.
The plan view shape of the surface of the nest that comes into contact with the gas flow path is the same as the plan view shape of the gas flow path.
Fuel cell cell joint mold.
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JP2020116921A JP2022022783A (en) | 2020-07-07 | 2020-07-07 | Fuel cell joint mold |
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